膨脹劑種類及摻量對C50鋼殼沉管自密實混凝土性能的影響

吳紹見

(廣東長大試驗技術開發有限公司，廣州 511431)

自密實混凝土是近幾十年出現的一種新型建筑材料，具有流動度大、不離析、均勻穩定、不需要附加振搗即可密實填充等特性[1,2]。與普通混凝土不同，自密實混凝土配合比具有膠凝材料用量高、漿骨比高等特點，因此自密實混凝土同時存在干燥收縮相對較大，開裂變形風險高等問題[3-5]。

深中通道項目是世界級的“橋、島、隧、地下互通”集群工程，是國家“十三五”重大工程和《珠三角規劃綱要》確定建設的重大交通基礎設施項目，工程施工難點高，工程質量要求高。深中通道沉管隧道采用鋼殼混凝土組合結構形式，該結構為國內首次應用，國際上首次大規模使用。為確保鋼殼沉管混凝土良好的施工質量，提高鋼殼沉管混凝土的密實填充性，深中通道各參建單位專家反復研究論證，提出開展C50鋼殼沉管自密實混凝土干燥收縮抑制技術研究的需求。該文以深中通道沉管隧道用C50鋼殼沉管自密實混凝土為研究對象，對比研究了鈣鎂復合類膨脹劑(CME)、硫鋁酸鹽類膨脹劑(SE)、塑性膨脹劑(SP)對C50鋼殼沉管自密實混凝土自密實性能及干縮性能的影響，提出了對混凝土自密實性能影響較小且對28 d干燥收縮抑制最為顯著的膨脹劑摻用措施，解決了自密實混凝土收縮大的技術問題，為國內低收縮自密實混凝土的配制及應用提供參考。

1 原材料

1)水泥：華潤水泥有限責任公司生產的 PⅡ 42.5 硅酸鹽水泥，表面積宜控制在 355 m2/kg，堿含量0.20%，氯離子含量0.005%，3 d強度29.5 MPa，28 d強度 46.9MPa；2)粉煤灰：國家能源集團某電廠生產的Ⅰ級粉煤灰，燒失量2.2%，45 μm篩篩余4%，需水比92%；3)礦粉：唐山曹妃甸盾石新型建材有限公司生產的 S95 級粒化高爐礦渣粉，7 d活性指數 80%，28 d活性指數97%，流動度比 99%；4)減水劑(PCE)：聚羧酸系高性能減水劑，含固量35%，減水率35%；5)膨脹劑：分別為江蘇某外加劑廠生產的鈣鎂復合類膨脹劑(CME)，河北某廠生產的硫鋁酸鹽類膨脹劑(SE)，山東某廠生產的塑性膨脹劑(SP)；6)砂：Ⅱ區中砂，含泥量為0.3%，細度模數2.8； 7)碎石：深中專供石場生產的 5～10 mm和10～20 mm 級配反擊破碎石，壓碎值為9%，母巖強度115 MPa。

2 配合比及試驗方法

2.1 配合比

技術文件要求C50鋼殼沉管自密實混凝土的28 d抗壓強度≥59 MPa，混凝土坍落擴展度≥650 mm、V型漏斗通過試驗<15 s，T500<5 s，倒置坍落度筒排空時間(倒筒時間)<5 s。C50鋼殼沉管自密實混凝土基準配合比見表1，其中膠凝材料總量550 kg/m3，水膠比0.31，砂率0.5，粉煤灰占膠凝材料總質量的比例為36%，礦粉占膠凝材料總質量的比例為15%，減水劑摻量為1%。

表1 C50鋼殼沉管自密實混凝土基準配合比 /(kg·m-3)

以基準配合比為基礎，摻入不同種類及摻量膨脹劑的C50鋼殼沉管自密實混凝土試驗配合比見表2，其中配合比A1、A2、A3對應的塑性膨脹劑(SP)摻量分別為0.04%、0.08%及0.12%，配合比A4、A5、A6對應的膨脹劑SE摻量分別為8%、9%及10%，配合比A7、A7、A9對應的膨脹劑CME摻量分別為3%、4%及5%。考慮到SE及CME膨脹劑的摻量普遍較高，為避免外摻膨脹劑時，粉體材料大量增加對混凝土拌合物性能及強度造成較大的影響，膨脹劑采用等量取代膠凝材料的方式，考慮到基準配合比中水泥占比已經很低(50%)，為確保混凝土的配制強度，采用膨脹劑等量取代粉煤灰的取代方式。

表2 C50鋼殼沉管自密實混凝土試驗配合比 /(kg·m-3)

2.2 試驗方法

1)混凝土拌合物性能試驗方法參照《普通混凝土拌合物性能試驗方法標準》(GB/T 50080)進行，測試混凝土的坍落擴展度及1 h坍落擴展度、T50、倒筒時間、V型漏斗通過時間。

2)抗壓強度試驗方法參照《普通混凝土力學性能試驗方法標準》(GB/T 50081)進行，測試混凝土的28 d抗壓強度。

3)干燥收縮率試驗方法參照《普通混凝土長期性能及力學性能試驗方法標準》(GB/T 50082)進行，測試混凝土的28 d干燥收縮率。

3 結果與討論

C50鋼殼沉管自密實混凝土基準配合比及試驗配合比拌合物性能、28 d抗壓強度及28 d干燥收縮率試驗結果見表3。

表3 C50鋼殼沉管自密實混凝土試驗結果

3.1 坍落擴展度

由表1可知，配合比A9組初期坍落度為640 mm，不滿足技術要求，其他配合比均滿足技術要求。塑性膨脹劑SP的摻入有利于混凝土坍落擴展度的增加，塑性膨脹劑SP的摻量越高混凝土初期坍落擴展度越大，與基準配合比相比，SP摻量為0.04%、0.08%及0.12%時，混凝土初期坍落擴展度分別增加1.4%、3.6%及4.3%；膨脹劑SE及CME對混凝土坍落擴展度有抑制作用，SE及CME摻量越高混凝土初期坍落擴展度越小，與基準配合比相比，SE摻量分別為8%、9%及10%時，混凝土初期坍落擴展度分別降低1.4%、2.9%及4.3%，CME摻量分別為3%、4%及5%時，混凝土初期坍落擴展度分別降低4.3%、5.8%及7.3%，相對而言，CME摻入后混凝土初期坍落擴展度減小更明顯。

塑性膨脹劑SP的摻入會降低混凝土坍落擴展度的經時損失，塑性膨脹劑SP的摻量越高混凝土1 h坍落擴展度越大，與基準配合比相比，塑性膨脹劑SP摻量為0.04%、0.08%及0.12%時，混凝土1 h坍落擴展度分別增加2.2%、5.1%及5.9%；膨脹劑SE及CME的摻入會增加混凝土坍落擴展度的經時損失，SE及CME摻量越高混凝土1 h坍落擴展度越小，與基準配合比相比，SE摻量分別為8%、9%及10%時，混凝土1 h坍落擴展度分別降低2.9%、5.9%及8.8%，EA2摻量分別為3%、4%及5%時，混凝土1 h坍落擴展度分別降低5.9%、8.8%及16.2%，相對而言，CME摻入后混凝土坍落擴展度損失更明顯。

研究表明[6，7]，塑性膨脹劑摻入后會釋放少量的微氣泡，提升混凝土的含氣量，改善混凝土的和易性，提升混凝土的坍落度。SE及CME膨脹劑取代粉煤灰后，減弱了粉煤灰的“微集料”及“滾珠”作用[8，9]，混凝土坍落擴展度降低。同時，膨脹劑SE及CME需要與水發生化學反應后才能發揮作用，隨著膨脹劑作用的發揮，混凝土中對流動度起正面作用的自由水減少，混凝土坍落擴展度降低。

3.2 T500及倒筒時間

由表3試驗結果可知，配合比A5、A6、A8及A9組T500均大于5 s，不滿足技術要求，其他配合比均滿足技術要求。塑性膨脹劑SP的摻入有利于混凝土T500的降低，混凝土T500隨著塑性膨脹劑SP摻量的增加先降低后保持不變，與基準配合比相比，塑性膨脹劑SP摻量為0.04%、0.08%及0.12%時，混凝土T500分別降低0、33.3%及33.3%；膨脹劑SE及CME的摻入會增加混凝土的T500，SE及CME摻量越高混凝土T500越大，與基準配合比相比，SE摻量分別為8%、9%及10%時，混凝土T500分別增加33.3%、100%及166.7%，CME摻量分別為3%、4%及5%時，混凝土T500分別增加66.7%、133.3%及233.3%，相對而言，CME摻入后混凝土T500增加更明顯。

配合比A5、A6、A7、A8及A9組倒筒時間均大于5 s，不滿足技術要求，其他配合比均滿足技術要求。塑性膨脹劑SP的摻入有利于混凝土倒筒時間的降低，混凝土倒筒時間隨著塑性膨脹劑SP摻量的增加而降低，與基準配合比相比，SP摻量為0.04%、0.08%及0.12%時，混凝土倒筒時間分別降低25%、25%及50%；膨脹劑的摻入會增加混凝土的倒筒時間，SE及CME摻量越高混凝土倒筒時間越大，與基準配合比相比，SE摻量分別為8%、9%及10%時，混凝土倒筒時間分別增加25%、50%及125%，CME摻量分別為3%、4%及5%時，混凝土倒筒時間分別增加50%、75%及175%，相對而言，CME摻入后混凝土倒筒時間增加更明顯。

研究表明，塑性膨脹劑SP摻入后混凝土的含氣量增加，混凝土粘度降低，混凝土T50及倒筒時間降低。如前所述，SE及CME膨脹劑取代粉煤灰后，減弱了粉煤灰的“微集料”及“滾珠”作用，同時膨脹劑對自由水的吸收等原因導致混凝土流動粘度增加，T500及倒筒時間增大。

3.3 V型漏斗通過時間

C50鋼殼沉管自密實混凝土V型漏斗通過時間試驗結果見表3。由試驗結果可知，配合比A9組V型漏斗通過時間大于15 s，不滿足技術要求，其他配合比均滿足技術要求。塑性膨脹劑SP的摻入有利于混凝土V型漏斗通過時間的降低，混凝土V型漏斗通過時間隨著塑性膨脹劑SP摻量的增加逐漸降低，與基準配合比相比，塑性膨脹劑SP摻量為0.04%、0.08%及0.12%時，混凝土V型漏斗通過時間分別降低10%、20%及30%；膨脹劑SE及CME的摻入會增加混凝土的V型漏斗通過時間，SE及CME摻量越高混凝土V型漏斗通過時間越大，與基準配合比相比，SE摻量分別為8%、9%及10%時，混凝土V型漏斗通過時間分別增加10%、30%及50%，CME摻量分別為3%、4%及5%時，混凝土V型漏斗通過時間分別增加20%、50%及70%，相對而言，CME摻入后混凝土V型漏斗通過時間增加更明顯。

3.4 28 d抗壓強度

由表3試驗結果可知，除A3組配合比外其他各組配合比的28 d抗壓強度均滿足技術要求。塑性膨脹劑SP摻入后混凝土28 d抗壓強度下降，混凝土28 d抗壓強度隨著塑性膨脹劑SP摻量的增加逐漸降低，與基準配合比相比，SP摻量為0.04%、0.08%及0.12%時，混凝土28 d抗壓強度分別下降1.1%、2.7%及5.8%；膨脹劑SE及CME的摻入可增加混凝土的28 d抗壓強度，SE及CME摻量越高混凝土28 d抗壓強度越大，與基準配合比相比，SE摻量分別為8%、9%及10%時，混凝土28 d抗壓強度分別增加2.3%、3.7%及5.5%，CME摻量分別為3%、4%及5%時，混凝土28 d抗壓強度分別增加1.0%、1.5%及2.1%，相對而言，SE摻入后混凝土28 d抗壓強度增加更明顯。

塑性膨脹劑SP對混凝土28 d抗壓強度的降低可能與其 “引氣”作用有關，塑性膨脹劑SP摻入后混凝土的引氣作用降低了混凝土的密實程度，混凝土抗壓強度降低[10，11]。

3.5 28 d干燥收縮率

由表3試驗結果可知，塑性膨脹劑SP的摻入有利于混凝土28 d干燥收縮率的降低，混凝土28 d干燥收縮率隨著塑性膨脹劑SP摻量的增加逐漸降低，與基準配合比相比，SP摻量為0.04%、0.08%及0.12%時，混凝土28 d干燥收縮率分別降低34.5%、41.7%及51.1%；膨脹劑SE及CME的摻入會降低混凝土的28 d干燥收縮率，SE及CME摻量越高混凝土28 d干燥收縮率越小，與基準配合比相比，SE摻量分別為8%、9%及10%時，混凝土28 d干燥收縮率分別降低22.9%、35.0%及49.8%，CME摻量分別為3%、4%及5%時，混凝土28 d干燥收縮率分別降低18.4%、23.3%及31.8%，相對而言，塑性膨脹劑SP摻入后混凝土28 d干燥收縮率降低更明顯。不同膨脹劑對混凝土干燥收縮的抑制則主要與其補償收縮作用有關[14，15]。

綜合考慮不同膨脹劑對混凝土拌合物性能、抗壓強度及28 d干燥收縮率影響的試驗結果可知，在拌合物性能均滿足技術指標要求的基礎上，塑性膨脹劑SP摻量為0.08%時，混凝土的拌合物性能最優，28 d抗壓強度滿足技術指標要求，28 d干燥收縮率最低。

4 結 論

a.在拌合物性能均滿足技術指標要求的基礎上，塑性膨脹劑SP摻量為0.08%時，混凝土的拌合物性能最優，28 d抗壓強度滿足技術指標要求，28 d干燥收縮率最低，此時混凝土的坍落擴展度為715 mm，T500為2 s，倒筒時間為3 s，V型漏斗通過時間為8 s，28 d抗壓強度60.2 MPa，28 d干燥收縮率130×10-6。

b.塑性膨脹劑SP的摻入可提高混凝土的初期及1 h坍落擴展度，降低混凝土的T500、倒筒時間及V型漏斗通過時間，降低混凝土的28 d抗壓強度，降低混凝土的28 d干燥收縮率，SP摻量越高對混凝土各項性能的影響越顯著，SP摻量為0.12%時對混凝土各項性能影響最明顯。

c.膨脹劑SE的摻入可降低混凝土的初期及1 h坍落擴展度，增加混凝土的T500、倒筒時間及V型漏斗通過時間，提高混凝土的28 d抗壓強度，降低混凝土的28 d干燥收縮率，SE摻量越高對混凝土各項性能的影響越顯著，SE摻量為10%時對混凝土各項性能影響最明顯。

d.膨脹劑CME的摻入可降低混凝土的初期及1 h坍落擴展度，增加混凝土的T500、倒筒時間及V型漏斗通過時間，提高混凝土的28 d抗壓強度，降低混凝土的28 d干燥收縮率， CME摻量越高對混凝土各項性能的影響越顯著， CME摻量為5%時對混凝土各項性能影響最明顯。